30 Segunda Ley de Newton Experimento

Experimento
30
Segunda Ley de Newton
¿Cómo cambia el movimiento de un carrito cuando lo tiras y lo empujas? ¿Podrías pensar que
mientras más fuerte lo empujas, más rápido se mueve el carrito. ¿Está relacionada la velocidad
del carro con la fuerza que le aplicas? ¿O la fuerza justamente cambia la velocidad? Además,
¿qué efecto tiene la masa del carro en su cambio de movimiento? Sabemos que hay que empujar
más fuerte para poner en movimiento un carro pesado que uno ligero.
Con un Sensor de Fuerza y un Acelerómetro podrás medir simultáneamente la fuerza aplicada
sobre el carro y su aceleración. Se puede cambiar fácilmente la masa total del carro añadiendo
otras masas. Usando estas herramientas, vas a poder determinar la relación que existe entre la
fuerza neta sobre el carro, su masa y su aceleración. Esta relación es la llamada segunda ley de
Newton del movimiento.
Acelerómetro
Accelerometer
Force
Sensor
Sensor
de Fuerza
Figura 1
OBJETIVOS

Recolectar datos de fuerza y aceleración del carro mientras se mueve hacia atrás y hacia
delante.
 Comparar los gráficos fuerza vs. tiempo y aceleración vs. tiempo.
 Analizar un gráfico de fuerza vs. aceleración.
 Determinar la relación entre la fuerza, la masa y la aceleración.
MATERIALES
computador
interfaz Vernier para computador
Logger Pro
Acelerómetro Baja-g Vernier
Sensor de Fuerza Vernier
Carro dinámico de baja fricción
Masa de 0.500 kg
PREGUNTAS PRELIMINARES
1. Cuando empujas un objeto, ¿cómo afecta su movimiento la magnitud de la fuerza? Si
empujas fuerte, ¿el cambio de movimiento es menor o mayor? ¿Piensas que es una relación
directa o inversa?
2. Asume que tienes una pelota de bolos y otra de béisbol, cada una suspendida de una cuerda
distinta. Si golpeas cada una de estas pelotas con un bate de béisbol con la misma fuerza,
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¿cuál de las dos pelotas cambiará su movimiento en una magnitud mayor?
3. En ausencia de fricción y de otras fuerzas, si ejerces una fuerza, F, sobre una masa, m, la
masa se acelerará. Si ejerces la misma fuerza sobre una masa 2m, ¿la aceleración resultante
será el doble o la mitad de la anterior? ¿Esta es una relación directa o inversa?
PROCEDIMIENTO
1. Conecta el Sensor de Fuerza Intervalo Dual al Ch 1 en la interfaz Vernier para computador.
Conecta el Acelerómetro Baja-g al Ch 2 en la interfaz.
2. Abre el archivo “09 Segunda Ley de Newton” en la carpeta Física con Computadores.
3. Fija el Sensor de Fuerza al carro dinámico de modo que puedas aplicar una fuerza horizontal
al gancho, dirigida a lo largo del eje sensible de tu Sensor de Fuerza particular. Luego fija el
Acelerómetro de modo que la flecha quede horizontal y paralela a la dirección en que el carro
de moverá. Orienta la flecha de forma que si tiras del Sensor de Fuerza el carro se moverá en
la dirección de la flecha. Determina la masa del carro con el Sensor de Fuerza y el
Acelerómetro unidos. Registra la masa en la tabla de datos.
4. Coloca el carro en una superficie nivelada. Asegúrate de que el carro no se mueva y haz clic
en
. Comprueba que ambos sensores están destacados y haz clic en
.
Ensayo I
5. Ahora estás listo para recolectar datos de fuerza y aceleración. Agarra el gancho del Sensor
de Fuerza. Haz clic en
y toma varios Segundo para mover el carro adelante y hacia atrás
sobre la mesa. Varía el movimiento aplicando fuerzas grandes y pequeñas. Asegúrate que tu
mano solo toque el gancho del Sensor de Fuerza y no el Sensor de Fuerza o el cuerpo del
carro.
6. Observa la forma de los gráficos fuerza vs. tiempo y aceleración vs. tiempo. Haz clic en el
botón Examinar, , y mueve el mouse a través del gráfico fuerza vs. tiempo. Cuando la
fuerza es máxima, ¿la aceleración es máxima o mínima? Para apagar el modo Examinar, haz
clic en el botón Examinar, .
7. El gráfico de fuerza vs. aceleración debe tener la apariencia de una línea recta. Para ajustar
una línea recta a los datos, haz clic en el gráfico, luego haz clic en el botón Ajuste lineal, .
Registra la ecuación de la recta de regresión en la tabla de datos.
8. Usando los gráficos, estima la aceleración del carro cuando se ha aplicado sobre el mismo
una fuerza de 1.0 N. Selecciona Interpolar del menú Analizar. Mueve el mouse a través del
gráfico y determina la aceleración (x) cuando la fuerza (y) es cercana a 1.0 N. Registra los
valores de la fuerza y la aceleración en la tabla de datos.
9. Repite el Paso 8 usando una fuerza de –1.0 N.
10. Imprime copias de cada gráfico.
Ensayo 2
11. Agrega una masa de 0.500 kg al carro. Registra la masa del carro, los sensores y la masa
adicional en la tabla de datos.
12. Repite los Paso 5 – 10.
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TABLA DE DATOS
Ensayo I
Masa del carro con sensores (kg)
Recta de regresión para los datos fuerza vs. aceleración
Fuerza que tira del
carro (N)
2
Aceleración (m/s )
Fuerza cercana a 1.0 N
Fuerza cercana a –1.0
N
Ensayo 2
Masa del carro con sensores y masa adicional (kg)
Recta de regresión para los datos fuerza vs. aceleración
Fuerza que tira del
carro (N)
2
Aceleración (m/s )
Fuerza cercana a 1.0 N
Fuerza cercana a –1.0
N
ANÁLISIS
1. Compara los gráficos de fuerza vs. tiempo y aceleración vs. tiempo para un ensayo particular.
¿En qué medida difieren? ¿En qué medida son iguales?
2. ¿Son directamente proporcionales la fuerza neta sobre un objeto y la aceleración del objeto?
Explica.
3. ¿Cuáles son las unidades de la pendiente del gráfico fuerza vs. aceleración? Simplifica las
unidades de la pendiente a las unidades fundamentales (m, kg, s).
4. Para cada ensayo compara la pendiente de la recta de regresión con la masa que es acelerada.
¿Qué representa la pendiente?
5. Escribe la ecuación general que relaciona las tres variables: fuerza, masa y aceleración.
EXTENSIONES
1. Usa este aparato como una forma de medir masa. Coloca una masa desconocida en el carro.
Mide la aceleración para una fuerza conocida y determina la masa desconocida. Compara tu
respuesta con la masa real del carro, que has medido usando una balanza.
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